第六章非均相反应器(下)

1、化学反应工程化学反应工程第六章第六章 非均相反应器非均相反应器 ( (下）下） 化学反应工程化学反应工程 化学反应工程化学反应工程6.2.3 流化床反应器内的流体流动实际流化床的p-u关系较为复杂，图6-15就是某一实际流化床的p-u关系。 0.01 0.02 0.03 0.05 0.1 0.2 0.3气速u/(m/s) 图图6-15 6-15 实际流化床的实际流化床的p-up-u关系关系化学反应工程化学反应工程6.2.3 流化床反应器内的流体流动6.2.3.46.2.3.4流化速度流化速度. .临界流化速度临界流化速度对于小颗粒： (6-27)对于大颗粒： (6-28)化学反应工程化学反应工

2、程6.2.3 流化床反应器内的流体流动. .带出速度带出速度流化床的粒子带出速度可以由粒子流化时在空间的受力平衡来计算，流体在流化床中受到的摩擦力可以写为 当摩擦力等于或大于固体颗粒受到的重力时，颗粒被气体带走。因此 (6-29)2/)(4/(22udFfpgdudFfspfp)(6/()2/)(4/(322化学反应工程化学反应工程6.2.3 流化床反应器内的流体流动根据上式可计算出不同粒径颗粒的带出速度。但在求解时，式中的 是流体雷诺数的函数，而雷诺数又是流体速度的函数，有 04时为层流， 04 500时为过渡流， 500 时为湍流， /ReudfpReReRe5102Re/245 . 0R

3、e/1043. 0化学反应工程化学反应工程6.2.3 流化床反应器内的流体流动代入上面摩擦系数，求解式(6-30)可以得到不同流动速率条件下的颗粒流化速度，即为反应床层的最大流化速度 即粒子的带出速度 (6-30) (6-31) (6-32)化学反应工程化学反应工程6.2.3 流化床反应器内的流体流动例例6-3 6-3 苯酐生产中所用的 催化剂，其粒度分布如下固体密度 =900 ，以空气做氧化剂并使催化剂流化，操作条件下空气密度 =1.O ，黏度为 ，计算临界流化速度 及带出速度 。52OVsfsPa 5100 . 3mfutu化学反应工程化学反应工程6.2.3 流化床反应器内的流体流动解 先

4、计算催化剂的平均粒径 。各筛分组粒子的粒径 用几何平均值代替，即同理可得pdpid)(24.617550mdpi化学反应工程化学反应工程6.2.3 流化床反应器内的流体流动混合粒度催化剂的平均粒径为由于 未知，故由式(6-2-6)估算临界流化速度，即验算)(1001mddipiipmf1650)(2pfsmfgdu)/(01781031650)101 (98110) 1900(4223scm200059. 010310178. 0101Re432mffpmfud化学反应工程化学反应工程6.2.3 流化床反应器内的流体流动说明所选用的公式是恰当的。计算混合颗粒流化床的带出速度应按最小颗粒粒径，即

5、 =50 进行计算。假设用式(6-2-6)计算粒子带出速度，则验算所用公式恰当。)/(08. 410318)105(98110) 1900(18)(42332scmgdupfst4 . 0068. 010308. 4101105Re433tfpud化学反应工程化学反应工程6.2.3 流化床反应器内的流体流动6.2.3.56.2.3.5流化床中常见的异常现象及处理方法流化床中常见的异常现象及处理方法.沟流 .大气泡 .腾涌 图图 6-16 6-16 不正常流化状态不正常流化状态 化学反应工程化学反应工程6.2.4 流化床反应器内的传质和传热6.2.4.16.2.4.1流化床反应器中的传质流化床反

6、应器中的传质1颗粒与流体间的传质2气泡与乳化相问的传质化学反应工程化学反应工程6.2.4 流化床反应器内的传质和传热6.2.4.26.2.4.2流化床反应器内的传热流化床反应器内的传热1.1.流化床反应器的传热过程分析流化床反应器的传热过程分析（1）固体颗粒与固体颗粒之间的传热（2）气体与固体颗粒之间的给热（3）床层与反应器器壁和内换热器壁之间的给热化学反应工程化学反应工程6.2.4 流化床反应器内的传质和传热2.2.床层与器壁之间的给热床层与器壁之间的给热(a)(a)单管式单管式 (b)(b)套管式套管式 (c)(c)鼠笼式鼠笼式化学反应工程化学反应工程6.2.4 流化床反应器内的传质和传热

7、 (d) (d) 直列管束直列管束 (e) (e) 横列管束式横列管束式化学反应工程化学反应工程6.2.4 流化床反应器内的传质和传热 (f) U (f) U形管式形管式 (g) (g) 蛇管式蛇管式图图6-176-17流化床常用的内部换热器流化床常用的内部换热器 化学反应工程化学反应工程6.2.4 流化床反应器内的传质和传热（1 1）流化床内换热器的结构型式）流化床内换热器的结构型式（2 2）床层对壁给热系数影响因素分析）床层对壁给热系数影响因素分析操作速度的影响 颗粒直径的影响 挡板、挡网的影响换热器位置对给热系数的影响颗粒与气体的物理性质对给热系数的影响 化学反应工程化学反应工程6.2.

8、4 流化床反应器内的传质和传热图图 6-18 6-18 挡网对给热系数的影响挡网对给热系数的影响 图图6-19 6-19 竖管离中心位置的校正系数竖管离中心位置的校正系数化学反应工程化学反应工程6.2.5 流化床反应器的构件6.2.5.16.2.5.1气体分布板与预分布器气体分布板与预分布器1.1.分布板的型式和结构分布板的型式和结构(1)直流式分布板(b) (b) 凹形分布板凹形分布板 (c) (c) 直孔泡帽分布板直孔泡帽分布板 图图6-20 6-20 直流式分布板直流式分布板(a)(a)直孔式分布板直孔式分布板 化学反应工程化学反应工程6.2.5 流化床反应器的构件(2)填充式分布板 图

9、图6-21 6-21 填充式分布板填充式分布板 化学反应工程化学反应工程6.2.5 流化床反应器的构件(3)侧流式分布板(a) (a) 侧缝式锥帽分布板侧缝式锥帽分布板 (b) (b) 侧孔式锥帽分布板侧孔式锥帽分布板 图图6-22 6-22 侧流式分布板侧流式分布板 化学反应工程化学反应工程6.2.5 流化床反应器的构件（4）短管式分布板图图6-23 6-23 短管式分布板短管式分布板化学反应工程化学反应工程6.2.5 流化床反应器的构件（5）无分布板的旋流式喷嘴（6）密孔型分布板图图6-24 6-24 无分布板的旋流式喷嘴无分布板的旋流式喷嘴化学反应工程化学反应工程6.2.5 流化床反应器

10、的构件2 2气体预分布器气体预分布器分布板的下部，通常由一个倒锥形的气室，进气管自侧向进入气室，在气室内气体流股进行粗略的重整后进入分布板。图图 6-25 6-25 常用的气体预分布器示意图常用的气体预分布器示意图化学反应工程化学反应工程6.2.5 流化床反应器的构件6.2.5.26.2.5.2内部构件内部构件1.1.水平构件水平构件挡网 单旋挡板 多旋挡板图图 6-266-26挡网挡网 图图 6-27 6-27 单旋导向导板单旋导向导板化学反应工程化学反应工程6.2.5 流化床反应器的构件图图 6-28 6-28 多旋导向挡板多旋导向挡板化学反应工程化学反应工程6.2.5 流化床反应器的构件

11、2.2.垂直构件垂直构件3.3.复合构件复合构件 图图 6-296-29垂直构件示意图垂直构件示意图化学反应工程化学反应工程6.2.5 流化床反应器的构件6.2.5.36.2.5.3气固分离装置气固分离装置1.内过滤器2.内旋风分离器图图 6-30 6-30 内过滤器内过滤器 图图 6-31 6-31 旋风分离器结构示意图旋风分离器结构示意图化学反应工程化学反应工程6.2.6 流化床反应器的工艺计算1.1.流化床反应器直径的确定流化床反应器直径的确定当生产规模确定后，通过物料衡算得出通过床层的总气量(标准状态)Q(m3h)。 (6-33) (6-34)5210013. 1273360041pT

12、uDQRupTQupTQDR982800132. 4360027310013. 145033. 12733600412pTuDQtLpuTQDtL3600273033. 14化学反应工程化学反应工程6.2.6 流化床反应器的工艺计算2.2.流化床高度的确定流化床高度的确定 (1)(1)流化床层高度流化床层高度LfLf的计算的计算临界流化床高Lmf的计算 催化剂用量为 WS= 静床高度: (6-35)GGSw24DWLBsO化学反应工程化学反应工程6.2.6 流化床反应器的工艺计算流化床层高度Lf的计算R=LfR=LfLmf=(1-mf)/(1-m)=mf/mLmf=(1-mf)/(1-m)=m

13、f/m。 Lf=R Lmf Lf=R Lmf (6-36)床层膨胀比也可由下列经验式直接求取对于安装了水平挡板或挡网的流化床R=0.517/(1-0.76u00.192) R=0.517/(1-0.76u00.192) (6-37)对于安装了垂直管束的流化床R=0.517/(1-0.67u00.114) R=0.517/(1-0.67u00.114) (6-38)化学反应工程化学反应工程6.2.6 流化床反应器的工艺计算(2)(2)分离高度和扩大段高度的计算分离高度和扩大段高度的计算(3)(3)锥底高度锥底高度一般锥底角取60或90，H=D/(2tg/2) H=D/(2tg/2) (6-39)

14、化学反应工程化学反应工程6.3 气液相反应器12汽液相反应器的特点与应用汽液相反应器的特点与应用气液相反应器基本类型与结构气液相反应器基本类型与结构3鼓泡塔反应器的工艺计算鼓泡塔反应器的工艺计算化学反应工程化学反应工程6.3.1 汽液相反应器的特点与应用气体在液体中吸收并反应是化学工业的一个重要过程，其用途主要有两个方面，一是用于气体的净化和分离（气体的化学吸收），二是用于生产化工产品。第一方面的例子有用碱性溶液脱除气体中的酸性气体H2S、CO2等；第二方面的例子有用水吸收氮的氧化物制硝酸，用氨水吸收CO2制取碳酸氢铵，乙烯氧化制乙醛，乙醛氧化制乙酸，苯烷基化制乙苯、异丙苯，甲醇羰基化制乙酸，

15、乙烯液相加氯制1，2-二氯乙烷等。化学反应工程化学反应工程6.3.2 气液相反应器基本类型与结构6.3.2.16.3.2.1气液相反应器的基本类型与特点气液相反应器的基本类型与特点图图6-32 6-32 气液相反应器的主要类型示意图气液相反应器的主要类型示意图化学反应工程化学反应工程6.3.2 气液相反应器基本类型与结构1.喷雾塔反应器2.填料塔反应器3.膜式反应器4.板式塔5.搅拌釜式反应器6.鼓泡塔反应器7.高速湍动反应器化学反应工程化学反应工程6.3.2 气液相反应器基本类型与结构表表6-2 6-2 几种气液反应器的性能指标几种气液反应器的性能指标型式相界面积液相体积m2/ m3相界面积

16、反应器体积m2/ m3液相体积分率液相体积液膜体积汽液比mol喷雾塔填料塔板式塔鼓泡搅拌釜鼓泡塔1200120010002002060100150200200.050.080.150.900.9821010100401001508004000100001911.55.670.110.0204化学反应工程化学反应工程6.3.2 气液相反应器基本类型与结构6.3.2.26.3.2.2气液相反应器的选型气液相反应器的选型(1)具备较高的生产能力(2)有利于反应选择性的提高(3)有利于降低能量消耗反应器的选型应考虑能量综合利用并尽可能降低能耗。(4)有利于反应温度的控制 (5)能在较少液体流率下操作化

17、学反应工程化学反应工程6.3.3 鼓泡塔反应器的工艺计算图图6-33 6-33 简单鼓泡塔简单鼓泡塔 1 1一塔体；一塔体；2-2-夹套；夹套；3-3-气体分布器；气体分布器；4 4一挡板；一挡板； 5 5一塔体；一塔体；6-6-塔外换热器，塔外换热器，7-7-液体捕集器；液体捕集器；8 8一扩大段；一扩大段；化学反应工程化学反应工程6.3.3 鼓泡塔反应器的工艺计算高黏性物系常采用气体升液式鼓泡塔，如图6-34所示。此种反应器在塔内装有气升管，引起液体形成有规则的循环流动，可以强化反应器传质效果，并有利于固体催化剂的悬浮。液体图图6-346-34气体升液式鼓泡塔气体升液式鼓泡塔 1 1一简体

18、；一简体；2 2一气升管；一气升管；3 3一气体分布器一气体分布器化学反应工程化学反应工程6.3.3 鼓泡塔反应器的工艺计算 6.3.3.16.3.3.1鼓泡塔的传递特性鼓泡塔的传递特性1 1鼓泡塔的流体力学特性鼓泡塔的流体力学特性(1)流动状态和气泡特性(2)气泡大小 (6-40) （6-41） (6-42)3/10)(6gddGLLb23iiiiVSdndnd313iiiVndnd化学反应工程化学反应工程6.3.3 鼓泡塔反应器的工艺计算(3)(3)含气率含气率 （6-43）含气率可以测量静液层高度 和通气时床层高度 算出，即 (6-44)关于含气率的关联式，目前普遍认为比较完善的是Hir

19、ita于1980年提出的经验公式，即 （6-45） GLGGLGGVVVVVGLLGLGHHH107. 0062. 0131. 034578. 0)()()()(672. 0LGLGLLLLLOGGgu化学反应工程化学反应工程6.3.3 鼓泡塔反应器的工艺计算(4)(4)比相界面积比相界面积 是指单位有效反应体积(气液混合物)所具有的相界面积叫比相界面积，可以通过气泡平均直径 和含气率 计算出，即 (6-46)a的大小直接关系到传质速率，是重要的参数，其值可以通过一定条件下的经验公式进行计算，如公式 (6-47)VSdG32/6mmdaVSGGLLLLgDHa003. 03 . 0)()(0

20、.26化学反应工程化学反应工程6.3.3 鼓泡塔反应器的工艺计算 (5)(5)鼓泡塔的气体压降鼓泡塔的气体压降 鼓泡塔中气体的阻力有两部分组成，一部分为喷孔的阻力，另一部分为气液混合床的静压力。气体压降可由下列公式计算 (6-48)gHuCpGLGLG2102023p化学反应工程化学反应工程6.3.3 鼓泡塔反应器的工艺计算2 2鼓泡塔的传质鼓泡塔的传质3 3鼓泡塔的传热鼓泡塔的传热鼓泡塔内充气液层与器壁间的给热系数可以用下面的公式计算，当 时 （6-49）smuOG1 . 02 . 03/13/1223)()()(25. 0SOGLLPLLLtuucgDD化学反应工程化学反应工程6.3.3

21、鼓泡塔反应器的工艺计算6.3.3.26.3.3.2鼓泡塔反应器的经验计算鼓泡塔反应器的经验计算 (1)(1)反应器直径的确定反应器直径的确定 (6-50) (2) (2)反应器体积的确定反应器体积的确定 充气液层高度 或体积 对于半连续操作塔(气体连续、液体间歇)OGGuD4GLHGLV化学反应工程化学反应工程6.3.3 鼓泡塔反应器的工艺计算对于连续操作的鼓泡塔气液层所含气体的体积为 化学反应工程化学反应工程6.3.3 鼓泡塔反应器的工艺计算分离空间的体积分离空间的体积分离空间的体积为 (6-51)分离高度可用式(6-51)计算。 (6-52) 顶盖体积顶盖体积 （6-53）EEHDV24D

22、HEE123DVc化学反应工程化学反应工程6.4 其他非均相反应器简介12气液固三相反应器气液固三相反应器生化反应器生化反应器3电化学反应器电化学反应器4聚合反应器聚合反应器化学反应工程化学反应工程6.4.1 气液固三相反应器在非均相反应中，同时存在气相、液相、固相三种不同相态的反应过程，称为气液固三相反应。气-液-固三相反应是反应工程中的一个新兴领域，具有巨大的现实及潜在的应用价值。化学反应工程化学反应工程6.4.1 气液固三相反应器6.4.1.16.4.1.1气液固三相反应器的类型气液固三相反应器的类型 1固定床气液固三相反应器 2悬浮床气液固三相反应器化学反应工程化学反应工程6.4.1

23、气液固三相反应器6.4.1.26.4.1.2滴流床三相反应器滴流床三相反应器气-液稳定流动滴流区 过渡流动区脉冲流动区分散鼓泡区化学反应工程化学反应工程6.4.1 气液固三相反应器6.4.1.36.4.1.3鼓泡鼓泡( (淤浆床淤浆床) )反应器反应器上述的滴流床反应器是固体处于固定床的三相反应器，而固体处于悬浮床的三相反应器，根据使固体悬浮的作用力不同，又可分为四个类型，即机械搅拌釜、环流反应器、鼓泡塔和三相流化床反应器。化学反应工程化学反应工程6.4.2 生化反应器生化反应器一般应满足：能在不同规模要求上为细胞增殖、酶的催化反应和产物形成提供良好的环境条件，即易消毒，能防止杂菌污染，不损伤酶、细胞或固定化生物催化剂的固有特性，易于改变操作条件，使之能在最适合条件下进行各种生化反应；化学反应工程化学反应工程6.4.2 生化反应器能在尽量减少单位体积所需功率输入的情况下，提供较好的混合条件，并能增大传热和传质速率；操作弹性大，能适应生化反应的不同阶段或不同类型产品生产的需要。化学反应工程化学反应工程6.4.3 电化学反应器6.4.3.16.4.3.1电化学反应器的基本特征电化学反应器的基本特征 都由两个